Dynamique de croissance des micro-organismes sous écoulement : imagerie microfluidique et modélisation

Influence of flow on the growth dynamics of microorganisms : microfluidic imaging and modeling

• Auteur / Autrice : Antoine Hubert
• Direction : Tanguy Le Borgne, Yves Méheust
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la terre et de l'environnement
• Date : Soutenance le 03/12/2020
• Etablissement(s) : Rennes 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Écologie Géosciences Agronomie Alimentation (Rennes ; 2016-2022)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Géosciences (Rennes)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modèles en géologie

Microfluidique

Biogéochimie

Bactéries

Mots clés libres

Bactéries

Écoulement

Mélange

Réactions bio-Géo-Chimiques

Microfluidique

Modélisation

Bacteria

Flow

Mixing

Biogeochemical reactions

Microfluidics

Modeling

Résumé

Dans les environnements souterrains, un grand nombre de réactions bio-géo-chimiques ont une cinétique essentiellement contrôlée par des bactéries. Dans ces milieux, les flux de nutriments et les concentrations de solutés peuvent être fortement variables dans l'espace et le temps. Ces variations peuvent générer des cinétiques de réaction bio-géo-chimiques qui différent de manière significative des cas mesurés dans les modèles environnementaux homogènes. L’objectif général de ce travail est, à partir d’expériences microfluidiques et en se fondant uniquement sur des observables physiques, de quantifier les couplages entre hétérogénéité de l’écoulement, transport/mélange de solutés, réactions et activité biologique. Nos expériences associées à des modélisations numériques démontrent le couplage du transport de nutriments avec la croissance en surface des bactéries. Des observations à l’échelle des cellules bactériennes et à haut taux d’acquisition démontrent l’effet des gradients de vitesse sur les motifs de colonisation des surfaces par les bactéries dans les premières phases de développement d’une population soumise à un écoulement laminaire. Nous mettons également en évidence une dépendance des caractéristiques de l’attachement des bactéries aux surfaces vis-à-vis de la contrainte cisaillante qu’elles subissent. Cette adaptation influence leur taux de croissance. Enfin, nous développons un cadre d’étude analytique décrivant l’amélioration d’une cinétique de réaction par les processus de mélange.

In subsurface environments, a large number of biogeochemical reactions have a kinetics controlled mainly by bacteria. In these environments, nutrient fluxes and solute concentrations can be highly variable over space and time. These variations can generate bio-geochemical reaction kinetics that differ significantly from the cases measured in homogeneous environmental models. The general objective of this work is, using microfluidic experiments and based only on physical descriptors, to quantify the couplings between flow heterogeneity, solute transport/mixing, reactions and biological activity. Our experiments are coupled with numerical modeling and demonstrate the coupling of nutrient transport with bacterial growth on surfaces. Observations at the scale of bacterial cells and at high acquisition rates show the effect of velocity gradients on the patterns of surface colonization by bacteria in the early stages of development of a population subjected to laminar flow. We also reveal a dependence of the properties of bacterial attachment to surfaces on the imposed shear forces. This bacterial adaptation influences their growth rate. Finally, we develop an analytical study framework describing the improvement of reaction kinetics through mixing processes.